CN106716671A - 带有分级传热表面的电池单体热交换器 - Google Patents

带有分级传热表面的电池单体热交换器 Download PDF

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Abstract

一种电池单体热交换器，由一对配对的板形成，配对的板共同形成内管状流动通道。管状流动通道大致呈蛇形流动通道的形式，蛇形流动通道在入口端与出口端之间延伸并具有通过大致U形的流动通道部相互连接的大致平行的流动通道部。流动通道提供每个大致平行的流动通道部中分级的传热表面和/或与每个流动通道部相关联的可变通道宽度，以提供横跨热交换器表面的改善的温度一致性。分级的传热表面可通过在各流动通道部中布置的传热增强特征或表面而呈与单独的流动通道部相关联的表面面积逐渐增加的形式。还可改变通道宽度和/或高度，以使其对于每个流动通道部逐渐减小。

Description

带有分级传热表面的电池单体热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年7月31日提交的题为BATTERY CELL HEAT EXCHANGER WITHGRADED HEAT TRANSFER SURFACE(带有分级传热表面的电池单体热交换器)的美国临时专利申请第62/031,553号的优先权和权益。上述专利申请的内容在此特别地通过参考的方式纳入本申请的详细描述中。
技术领域
本发明涉及用于在电池单元中耗散热量的电池单体(battery cell)热交换器或冷却板式热交换器。
背景技术
由许多锂离子单体组成的诸如电池之类的可再充电的电池可用于许多应用中，例如包括电动车辆(“EV”)和混合电动车辆(“HEV”)的应用。这些应用通常需要先进的电池系统，这些电池系统具有高能量存储能力且可产生需散发的大量热量。这类系统的电池热管理总体上要求单个单体的最高温度低于预定的规定温度。更具体地，电池单体必须具有电池单体温度一致性，使得单体内的最高温度(T最高)与单体内的最低温度(T最低)之间的差，例如T最高-T最低小于规定的温度值。此外，流过热交换器的用于冷却电池的任何流体必须呈现通过热交换器的低压降，以确保冷却装置的合适性能。
冷却板式热交换器是一类热交换器，在其上布置有相邻的电池单体或容纳一个或多个电池单体的电池单体容器的堆叠，用于电池单元的冷却和/或温度调节。单独的电池单体或电池单体容器彼此面对面接触地布置以形成堆叠，电池单体或电池单体容器的堆叠被布置在冷却板式热交换器的顶部上，使得每个电池单体或电池单体容器的端面或端表面与热交换器的表面形成表面对表面的接触。用于冷却和/或调节电池单元的温度的热交换器还可布置在形成堆叠的各个单独的电池单体或电池单体容器之间，各个单独的热交换器通过共同的入口和出口歧管相互连接。布置在或“夹在”堆叠中的相邻的电池单体或电池单体容器之间的热交换器有时可被称作单体间元件(inter-cell element)(例如“ICE”板式热交换器)或冷却翅片。
由于横跨热交换器表面的温度一致性涉及需确保在电池单元中的各个单独的电池单体之间有最小的温度差，故而对于冷却板式热交换器和单体间元件或ICE板式热交换器，横跨热交换器表面的温度一致性在整体电池单元的热管理中是重要的考量因素。尤其对于冷却板式热交换器，这些需求转变为需确保冷却板表面的最高温度尽可能低，并且横跨板的温度尽可能均匀，以确保横跨板的整个表面的一致的冷却。
由此，存在对于改善的电池单体热交换器的需求提供，该电池单体热交换器提供横跨与电池单元接触的传热表面的改善的温度一致性，以确保由这些电池系统/单元产生的热量充分耗散。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，提供有一种电池单体热交换器，包括配对的热交换器板对，配对的热交换器板对共同形成其间的内多程管状流动通道；多程管状流动通道具有入口端和出口端以及通过大致U形的流动通道部相互连接的多个大致平行的流动通道部，大致平行的流动通道部和大致U形的流动通道部共同与所述入口端和所述出口端相互连接；流体入口，流体入口与所述流动通道的所述入口端流体连通，用于将流体输送至所述热交换器；流体出口，流体出口与所述流动通道的所述出口端流体连通，用于将所述流体从所述热交换器排出；其中，每个大致平行的流动通道部限定流动阻碍和传热性能特征，每个所述大致平行的流动通道部的流动阻碍和传热性能特征在入口端至出口端之间是提高的。
根据本发明的另一示例性实施例，提供一种电池单元，包括：多个电池单体容器，每个电池单体容器容纳一个或多个单独的电池单体，其中，各电池单体容器布置成彼此相邻且面对面接触；电池单体热交换器，电池单体热交换器布置在所述多个电池单体容器下方，使得每个电池单体容器的一端面与所述热交换器表面对表面地接触；其中，每个电池单体热交换器包括配对的热交换器板对，配对的热交换器板对共同形成其间的多程管状流动通道；多程管状流动通道具有入口端和出口端以及通过大致U形的流动通道部相互连接的多个大致平行的流动通道部，大致平行的流动通道部和大致U形的流动通道部共同与所述入口端和所述出口端相互连接；流体入口，流体入口与所述流动通道的所述入口端流体连通，用于将流体输送至所述热交换器；流体出口，流体出口与所述流动通道的所述出口端流体连通，用于将所述流体从所述热交换器排出；其中，每个大致平行的流动通道部限定流动阻碍和传热性能特征，每个大致平行的流动通道部的流动阻碍和传热性能特征在入口端至出口端之间是提高的。
附图说明
现将通过示例的方式参考附图，附图示出了本申请的示例性实施例，附图中：
图1是包含根据本发明的示例性实施例的电池单体热交换器的电池单元的立体图；
图1A是根据本发明的电池单体热交换器的通过多程流动通道中的一行程的示意性纵向剖视图；
图2是根据本发明的电池单体热交换器的立体分解图；
图3是图2中的电池单体热交换器的底板的俯视图；
图3A是图2中的电池单体热交换器的底板的替代实施例的俯视图；
图3B是图2中的电池单体热交换器的底板的替代实施例的俯视图；
图4是包含图3B中的底板的电池单体热交换器的立体图；
图4A是图4中的被围绕区域A的细节图；
图5是结果表，示出了包括根据本发明的实施例的带有分级传热表面的热交换器板的各种热交换器板的性能结果；
图6是结果表，示出了包括根据本发明的实施例的带有分级传热表面的热交换器板的各种热交换器板所需的流速；
图7是根据本发明的另一示例性实施例的用于电池单体热交换器的底板的俯视图；
图8是根据本发明的另一示例性实施例的热交换器的立体分解图；
图8A是图8中的热交换器的底板的俯视图；
图9是结果表，示出了包括根据本发明的实施例的带有分级传热表面的热交换器板的各种热交换器板的性能结果；以及
图10是根据本发明的另一示例性实施例的电池单体热交换器的立体分解图；
图10A是图10中的热交换器的底板的俯视图；
图10B是图10中所示的被围绕区域B的细节图；以及
图11是包含根据本发明的示例性实施例的电池单体热交换器的电池单元的立体图，其中，各热交换器布置在形成电池单元的相邻的电池单体或电池单体容器之间；
可能在不同的附图中使用相同的附图标记来标示相同的部件。
具体实施方式
现参考图1，示出有根据本发明的示例性实施例的可充电电池单元的示意性示例。电池单元10由一系列单独的电池单体或容纳一个或多个单独的电池单体的电池单体盒12组成。呈冷却板形式的电池单体冷却器或电池单体热交换器14布置在电池单体或电池单体盒12的堆叠下方。由此，多个电池单体或电池单体盒12彼此面对面接触地布置以形成堆叠，接着，电池单体或电池单体容器的堆叠被布置在冷却板式热交换器的顶部上，使得每个电池单体或电池单体容器12的端面或端表面与热交换器14的主传热表面13表面对表面地接触。每个电池单体热交换器14由一对配对的板16、18形成，板16、18共同形成内管状流动通道20。流动通道20具有入口端22和出口端24。入口开口26在流动通道20的入口端22处形成于热交换器14的第一板或上板16中，且与入口配件27流体连通，用于允许冷却流体进入流动通道20。出口开口28在流动通道20的出口端24处形成于热交换器的第一板或上板16中，且与出口配件29流体连通，用于从流动通道20排出冷却流体。如所示的，入口配件27和出口配件29两者都布置在热交换器14的一端处，然而，取决于入口配件27和出口配件29的特定应用和所需位置，入口配件和出口配件可能有不同的配置。
根据本发明的示例性实施例，电池单体热交换器14呈多程(multi-pass)热交换器的形式，其限定内管状流动通道20，内管状流动通道20呈在入口端22与出口端24之间延伸的蛇形流动通道的形式。由此，流动通道20包括多个串联连接的大致平行的流动通道部32，每个流动通道部32通过相应的基本U形的流动通道部34连接至后续的流动通道部32。在运行中，诸如冷却流体之类的热交换流体通过入口开口26进入流动通道20，流过第一大致平行的流动通道部32(1)并流过第一U形流动通道部34(1)进入第二大致平行的流动通道部32(2)。接着，热交换器流体“转回”通过第二U形流动通道部34(2)，之后，热交换流体继续通过第三大致平行的流体通道部32(3)，并以此方式继续直至流体流过最后的大致平行的流动通道部32(4)，之后，通过出口开口28离开流动通道20。尽管流动通道20已被示出为具有四个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)和三个U形流动通道部34(1)－34(3)，但将理解到这不意在作为限制，并理解到，根据热交换器所需的总尺寸、对于具体应用的比传热和/或压降需求以及电池单体12的特定尺寸和形成电池单体热交换器14的热交换器板16、18的实际尺寸，形成流动通道20的平行和U形的流动通道部32、34的实际数量可根据产品的特定应用而变化。总体上，电池单体热交换器14可具有例如最少三个而多至大约十个大致平行的流动通道部。由于要向电池单体提供冷却或允许从电池单体散热，电池单体热交换器14意在被布置成与电池单体的一侧成热接触，故而重要的是，电池单体热交换器14提供这样的传热表面，横跨该传热表面具有大致均匀的温度，以确保横跨与电池单体热交换器14成表面对表面接触的相邻的电池单体12的整个侧面或表面能提供足够的冷却。为了改善横跨电池单体热交换器14的表面的温度均匀性，流动通道20构造为使得每个大致平行的流动通道32(1)－32(4)的流动阻力和传热性能逐渐增加，从而提供通过热交换器14的分级的(graded)或可变的总流动通道20。
普遍理解的是，热交换器板16、18的横跨表面的温度(T表面)是流动通道20中的流体温度(T流体)以及传热系数(h)和板16、18的投影面积(A)的乘积的函数，且一般由以下等式表示：
T表面＝T流体+Q/hA
其中，Q＝mCp(T出-T进)
m＝质量流率
Cp＝恒压下的比热
T流体＝1/2(T进+T出)
h＝表面的传热系数
A＝表面面积
且其中，Q和T流体一般认为是恒定的。
典型地，已发现，为了满足这些类型的电池单元10的温度均匀性需求，需要增加通过电池单体热交换器的热交换器流体的流动速率。然而，对于增加横跨已知电池单体热交换器的压降而言，增加流动速率是已知的，这样可能减小热交换器的总体性能并因而减小电池单元10的总体性能。然而，通过提供带有分级的或可变的多程流动通道20的电池单体热交换器14，这种电池单体热交换器14提供逐渐增加的通过多程流动通道20中的每个通道或横跨流动通道20的总长度的流动阻力和传热性能，已发现，可获得改善的横跨热交换器板16、18的表面的温度均匀性。更具体地，已发现，通过提供穿过流动通道20的分级传热表面和/或改变沿流动通道20的长度的流动通道20的宽度来改变入口端22与出口端24之间的流动通道20的表面面积，可获得改善的温度均匀性。
一般所理解的是，由于热交换流体或冷却流体进入热交换器14，如图1A中通过流动方向箭头15示意性表示的，热交换器板16、18在入口处的表面温度是冷的(例如，低表面温度)。如图1A中通过散热箭头17示意性地表示的那样，随着热量(Q)从电池单体12耗散并通过与热交换器板16、18的外表面19表面对表面的接触而从电池单体12传递至流过流动通道20的热交换流体，流动通道20内的热交换流体的温度增加，这对于板16、18的表面温度有影响，热交换器板16、18的最高表面温度TTIM一般位于板16、18的外表面19上朝向流动通道20的出口端24处，如图1A中由以虚线示出的离散体积21表示。由此，与在热交换器14的入口端22处测得的表面温度相比，在热交换器14的出口端24处的热交换器板16、18的表面温度被认为是“热的”(例如高表面温度)。板16、18的入口端与出口端之间的表面温度差导致横跨热交换器板16、18的表面的大温度梯度，这倾向于对用于这些类型的电池单元10的电池单体热交换器的温度均匀性需求具有负面影响。通过增加热交换器14的入口端22处的表面温度，可减小横跨板16的表面的总体温度梯度，从而满足与这些类型的电池单元和特定应用相关联的温度均匀性需求。由于板16、18的表面温度由上述等式T表面＝T流体+Q/hA表示，故而已发现，可通过改变传热表面的表面面积(A)和/或影响传热系数(h)的、穿过热交换器的流体速度来改变表面温度。尽管这传统地通过增加进入热交换器的热交换流体的流速来完成，但已知的是，由于压降的增加，这样做也会对热交换器的总体性能有负面影响。
现参考图2，示出有根据本发明的电池单体热交换器14的示例性实施例。热交换器14包括一对配对的热交换器板16、18。在该实施例中，第一板或上板16呈大致平面的板的形式，第一板或上板16具有外表面19，用于与布置在第一板或上板16的顶部上或堆叠在第一板或上板16的外表面19上的单独的电池单体或电池单体盒12接触，热交换器14的第一板或上板16因而限定主传热表面13。热交换器14的第二板或底板18具有居中的、大致平面的区域，在该区域中形成大致蛇形的流动通道20。在该实施例中，大致平行的流动通道部32(1)－32(4)(或总的是32(n))和U形流动通道部34(1)－34(3)(或总的是34(n-1))形成为离开第二板18的中心大致平面区域向外延伸的蛇形凹部。由此，大致平行的流动通道部32(n)通过总体呈纵向肋部形式的流动屏障33彼此分离，流动屏障33从第二板18的对应的端部边缘35中的一个起延伸，且带有围绕板18的周界延伸的外周凸缘部37。当第一板16和第二板18以其配对关系布置在一起时，第一板16的下表面或内表面密封住第二板18的流动屏障33和外周凸缘37的上表面，从而在第一板16与第二板18之间封围流动通道20。为了在流动通道内提供逐渐增加的表面面积(例如，在封围的流动通道20内的分级的或变化的传热表面)，从而增加在热交换器14的入口端22处的表面温度，并改善横跨热交换器14的表面的总体温度均匀性，流动通道20的通过至少每个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)的表面面积被修改，以在流动通道20的入口端22附近产生低密度表面面积的传热表面并在流动通道20的出口端24处产生高密度表面面积的传热表面。如图2和3中所示，第一大致平行的流动通道部32(1)形成有横跨其表面面积的低密度表面增强特征36，诸如呈凹窝形式的低密度或间隔开的突出部，而第二平行的流动通道部32(2)形成有横跨第二流动通道部32(2)的表面面积的更高密度或更紧密地间隔的表面增强特征或呈更高密度或更紧密地间隔的凹窝形式的突出部38，从而与第一流动通道部32(1)相比提供总体中等密度的表面面积。第三平行流动通道部32(3)形成有表面增强特征40的又一种不同的图案，从而再次改变在流动通道的该部分中提供的传热表面的总体表面面积。如所示的，第三平行流动通道部32(3)形成有呈横跨第三大致平行的流动通道部32(3)布置的低密度肋部图案40形式的表面增强特征40，以再次提供总体中等密度的表面面积，其密度高于由第二流动通道部32(2)提供的中等密度表面面积。由此，第三流动通道部32(3)提供相比于第一流动通道部32(1)更高密度的表面面积，且第三流动通道部32(3)还具有比第二流动通道部32(2)稍高密度的表面面积。与之前的流动通道部32(1)－32(3)相比，第四平行流动通道部32(4)形成有甚至更高密度的表面增强特征42的图案，且呈稍细长凹窝(或截头肋部)的高密度图案的形式，从而在第四流动通道部32(4)中提供与之前的流动通道部32(1)－32(3)相比总体高密度的表面面积。由此，热交换器板16、18共同提供内管状流动通道20，内管状流动通道20实质上在多程流动通道的每个单独的行程中提供了一种不同的传热表面，传热表面的呈形成于至少第二板18的表面中的凹窝和/或肋部形式的表面增强特征的图案密度逐渐越来越高，从而逐渐增加通过流动通道20的流动阻碍和传热性能。由此，分级的或变化的表面增强特征用于改变/变换流动通道20的总体表面面积以及流体穿过热交换器14的速度，从而提供通过热交换器14的多程流动通道20的每个行程的不同的传热特性/效果。
尽管上述实施例涉及提供流动通道20，其中，被冲压或以其它方式直接形成于至少第二板18的表面中的表面增强特征36、38、40、42呈肋部和/或凹窝形式，但将理解到，如图3A中原理性地示出的，可通过在流动通道20的每个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)中插入不同的传热增强表面、诸如湍流增强器或翅片，而获得相似的结果。例如，各种等级的错置的带状翅片43可用于逐渐改变通过多程流动通道20的每个行程的流动特征，以获得相似的效果。在一个示例性实施例中，第一大致平行的流动通道可被保留为其中不定位有表面增强特征或湍流增强器的敞开通道，而第二、第三和第四大致平行的流动通道部32(2)－32(4)中的每个可设置有各种等级的涡流增强器或错置的带状翅片43(1)－43(3)。更具体而言，分别地，第二流动通道部32(2)可装配有例如长度(或流动长度)为约20mm且宽度(或流动宽度)为约10mm的错置的带状翅片(例如OSF 20/10*)，第三流动通道部32(3)可装配有长度(或流动长度)为约10mm且宽度(或流动宽度)为约5mm的错置的带状翅片(例如OSF10/5*)，而第四流动通道部32(4)可装配有长度(或流动长度)为约5mm且宽度(或流动宽度)为约2mm的错置的带状翅片(例如OSF 5/2*)。由此，多程流动通道20的每个行程提供通过流动通道部32(n)的不同的流动特征，从而导致不同的传热特性，这有助于提供横跨热交换器14的表面更均匀的温度分布。
在另一实施例中，每个大致平行的流动通道部32(n)的表面面积可使用形成于流动通道20本身和分离的湍流增强器的表面中的表面增强特征的组合而改变。更具体地，与图3中示出的实施例相似。图3B中所示的实施例示出了示例性实施例，其中，第一大致平行的流动通道部32(1)形成有诸如凹窝之类的表面增强特征36的低密度图案，而第二大致平行的流动通道部32(2)与第一流动通道部32(1)相比形成有表面增强特征38的中等密度图案，诸如更高密度的凹窝图案。与第二流动通道部32(2)相比，第三大致平行的流动通道部32(3)形成有表面增强特征40的更高密度的图案，在本实施例中，呈细长肋部和凹窝的更高密度的组合图案的形式。相较于形成有表面增强特征的高密度图案，第四大致平行的流动通道部32(4)替代地设置有湍流器，诸如错置的带状翅片，从而提供与第三流动通道部32(3)相比更高密度的表面增强特征。图4示出了电池单体热交换器14，电池单体热交换器14包含第二板18，第二板18带有表面增强特征36、38、40以及如图3B中所示分离的涡流增强器的组合，且图4A提供了布置在第四大致平行的流动通道部32(4)中的涡流增强器的细节图，该涡流增强器在与热交换器14的出口29的端部相关联的流动通道部32(4)中提供了最高等级的表面增强。
尽管图2和4中所示的实施例示出了以下这样的热交换器14：具有大致平面的第一板16和成形的第二板18，其中，两个板16、18以配对关系布置，以在其间封围变化的或分级的流动通道20，故而其适合用作冷却板式热交换器；但将理解到，第一板16还可为在结构上大致与图中所示的成形的第二板18相同但构成第二板18的镜像而相对于第二板18颠倒或逆向布置的成形板，使得当板16、18以面对面的配对关系布置时，在它们之间封围蛇形流动通道20。在这种实施例中，形成大致平行的流动通道部32(n)和U形流动通道部34(n-1)的蛇形凹部会从热交换器14的第一板或上板16的中心大致平面部突出并呈凸起形式，形成于第一板16中的蛇形凸起和形成于第二板18中的蛇形凹部的间隔开的壁共同形成流动通道20。由此，在这种实施例中，当第一板和第二板以它们的配对关系布置时，一块板16、18的每个流动通道部32(n)中的表面增强特征36、38、40、42的各种图案将抵靠另一块板16、18的对应的表面增强特征36、38、40、42。在具有其中设置有分离的单独湍流增强器43的敞开通道的实施例中，涡流增强器会形成使得其高度对应于由第一板16和第二板18的配对的蛇形凸起和蛇形凹部所形成的大致平行的流动通道部32(n)的高度。如上所述的由两个成形板16、18形成的热交换器14(与大致平面的第一板或上板16和成形的第二板或下板18相比)总体上更适合用作例如图11中所示的ICE板式热交换器，其中，电池单体冷却器或热交换器14被布置于或夹在相邻的电池单体或电池单体盒12之间，且热交换器14的每侧与相邻的电池单体或电池单体盒12面对面接触。在这种布置中，入口配件27可呈入口管或馈送管的形式且流体地联接至每个电池单体热交换器14的入口开口26，而出口配件可呈出口管或排放管的形式且流体地联接至每个电池单体热交换器14的出口开口28，在电池单元10内，与每个电池单体热交换器14相关联的入口配件27和出口配件29被联结或流体地联接在一起，因而提供了用于向电池单元10内的多个电池单体热交换器14供应冷却/加热流体并将冷却/加热流体返回至其流体源的流体系统。图5和6示出了对于各种热交换器板的性能结果，且设计5涉及根据以上关于图2－4描述的实施例，其中，各种等级的错置的带状翅片已被用来取代直接形成在热交换器板的表面上的表面增强特征，以提供分级的热交换器表面，其中，所有热交换器被供应温度为30℃且流速为1.5LPM(升每分)的热交换或冷却流体，且其中，进入或离开热交换器的热交换流体的温度的变化，即ΔT流体＝T出-T进被保持恒定在3.52℃。如图5中所示，与每个行程形成/设置有相同的传热表面的其它标准热交换器构造(设计1－4)相比，对于多程热交换器14的每个行程形成或设置有不同的热交换器表面的分级传热表面在各板的表面处的温度梯度减小，即ΔT＝2.16℃，同时还保持相对低的压降。图6示出了为了获得如由包含例如如图2－4中所示的带有分级的传热表面的热交换器板16、18的热交换器14所呈现的减小的温度梯度2.16℃，其它已知的热交换器结构(即设计1－4)会需要增加各个进入热交换器的热交换流体的流速，这已知对于热交换器的压降和总体性能具有不利作用。
除了如以上关于图2－4所描述的，通过向每个流动通道部32(1)－32(4)提供变化等级的表面增强特征(例如诸如凹窝和/或肋部之类的突出部的变化的图案)或者说使得传热表面(例如，错置的带状翅片)从一个相邻的流动通道部至随后的流动通道部逐渐地从低密度、至中等密度、至高密度的表面面积变化来改变多程流动通道20的每个行程的流动阻碍和传热性能以外，还可通过改变流动通道部32(1)－32(4)的通道宽度来进一步改变表面面积。更具体地，现参考图7，示出有用于形成根据本发明的电池单体热交换器14的热交换器板18的另一示例性实施例。在该实施例中，每个大致平行的流体通道部32(1)－32(4)以不同的通道宽度形成。更具体地，第一流体通道部32(1)具有第一通道宽度，且每个随后的流体通道部32(2)－32(4)具有逐渐变小的通道宽度，从而改变通过流体通道20的流动特征。例如，在一个示例性实施例中，第一流体通道部32(1)的通道宽度为约119.7mm，第二流体通道部32(2)的通道宽度为约102.6mm，第三流体通道部32(3)的宽度为约68.4mm，而第四流体通道部32(4)的通道宽度为约51.3mm，所有流体通道部32(1)－32(4)的通道高度例如为约2mm。通过提供带有可变通道宽度的流动通道20，通过多程流动通道20的每个行程的流动特征改变，且随着通道宽度逐渐变小，流体流过通道20的速度增加。流体流过流动通道20的速度增加使得形成通过多程流动通道20中每个行程的流动通道的表面的传热系数h增加，这有助于获得横跨热交换器板16、18的温度一致性。如在前述实施例中那样，图7中示出的热交换器板可布置为整个电池单体热交换器14的底板或第二板18，且第一大致平面的板16以与成形的第二板18配对的关系布置，以形成封围的流体流动通道20。替代地，热交换器14可由具有图7中示出的形式的两个互补的热交换器板形成，该布置可能更适合于用作ICE板式热交换器。
尽管为了改善热交换器板16、18的表面的温度一致性，电池单体热交换器14可设置有具有如图2－4中所示的分级传热表面的流动通道20，或可设置有具有如图7中所示的可变通道宽度的流动通道20，但已发现还可例如图8和8A中所示，通过结合如以上关于图2－4所描述的分级传热表面以及以上关于图7所描述的可变通道宽度来进一步改善电池单体热交换器14的总体温度一致性。因而，根据本发明的另一示例性实施例，热交换器14形成有配对的板16、18，其中，第一板或上板16呈具有基本没有表面阻碍物的外表面19的大致平面的板的形式，从而提供用于与相邻的或对应的电池单体或电池单体盒12接触的大表面面积。热交换器14的第二板或底板18具有居中的、大致平面的区域，在该区域中形成大致蛇形的流动通道20。在该实施例中，大致平行的流动通道部32(1)－32(4)(或总的是32(n))和U形流动通道部34(1)－34(3)(或总的是34(n-1))形成为离开第二板18的中心大致平面区域向外延伸的蛇形凹部，流动通道20形成为既包含分级传热表面又包含可变通道宽度。更具体地，如图8A中所示，每个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)形成有如关于图7中所描述的逐渐变小的通道宽度，且还设置有如以上关于图2－4描述的各种等级的表面增强特征或各种等级的传热表面(例如，呈错置的带状翅片形式的湍流增强器)。由此，在该实施例中，具有最大通道宽度的第一流动通道部32(1)设置有凹窝的低密度图案，而在其它实施例中，第一流动通道部32(1)可设置有低密度传热表面(或湍流增强器)，且在某些示例中，第一流动通道部32(1)可替代地被保留为敞开通道而不带有表面增强特征或传热表面。第二流动通道部32(2)形成有比第一流动通道部32(1)更小的通道宽度，且设置有中等密度表面增强特征，诸如高密度图案或凹窝(或等同的传热表面或湍流增强器)。第三流动通道部32(3)形成为具有甚至比第一流动通道部32(1)和第二流动通道部32(2)更小的通道宽度，且设置有表面增强特征的增加的中等密度图案，诸如肋部的低密度图案或者凹窝与肋部的组合图案(或等同的传热表面或涡流增强器)，从而提供相比于由第二流动通道部32(2)的凹窝的高密度图案所提供的总体中等表面面积密度增加的表面面积密度，且第四流动通道部32(4)设置有表面增强特征的高密度图案(或等同的传热表面或涡流增强器)，诸如与之前的通道部相比表面增强特征的甚至更高密度图案(诸如凹窝、细长凹窝或截头肋部或凹窝和肋部的组合)以及甚至更小的通道宽度。尽管已参考了低密度凹窝、高密度凹窝、低密度肋部以及凹窝和肋部的高密度图案，但将理解到，可设置表面增强特征的各种图案，关键是流过多程流动通道20的每个行程的流体的动力特性被改变，从而沿流动通道20的整个长度、从热交换器14的入口端22至出口端24逐渐增加通过每个流动通道部32(1)－32(4)的流动阻碍和/或传热性能。如上所述，还将理解到，相较于用直接形成在每个流体通道部32(1)－32(4)中的表面增强特征的各种图案来形成热交换器板16、18，可替代地将各种类型的传热表面、诸如单独的湍流增强器定位在每个流体通道部32(1)－32(4)中，以获得相似的效果。尽管已特别地参考各种等级的错置的带状翅片，但将理解到，可使用本领域中已知的任何合适的传热表面或湍流增强器，且对各种等级的错置的带状翅片的参考意在为示例性的，而不意在限制。
图9示出了对于各种热交换器设计的性能结果。更具体地，第一设计(即设计1)涉及一种热交换器，该热交换器使得多程流动通道20的所有行程具有相同宽度，且不带有表面增强特征(或湍流增强器)。第二设计(即设计2)代表如图7中所示的热交换器14，其中，流体流动通道部具有可变的通道宽度，且不带有表面增强特征(或湍流增强器)。第三设计(即设计3)涉及带有多程流动通道的热交换器，如图3A中原理性地示出的，其中，流动通道具有恒定宽度且在每个流动通道部中设置有相同的传热表面或涡流增强器，且第四设计(即设计4)是带有多程流动通道的热交换器，流动通道具有可变通道宽度，其中，在每个流动通道部32(1)－32(4)中，每个行程设置有相同的表面增强特征或传热表面(例如相似于图7，具有合适的表面增强特征或涡流增强器)。第五设计(即设计5)涉及如图8和8A中示出的热交换器，其中，热交换器包括具有可变通道宽度的多程流动通道20，其中，每个流动通道部32(1)－32(4)设置有具有逐渐增强的密度的表面增强特征或传热表面或涡流增强器。如在图9中所示的结果表中示出的，与其它设计相比(即设计1－3)，第四设计(即设计4)和第五设计(即设计5)两者都呈现了在热交换器板16、18的表面上的改善的温度梯度。关于设计4，其中，热交换器14设置有具有可变通道宽度的内管状流动通道20，其宽度从一个流动通道部至随后的流动通道部逐渐减小，每个流动通道部设置有相同的表面增强特征或传热表面(例如，涡流增强器)，所发现的是，横跨各板的表面的总体温度梯度为约3.12℃，这相比于设计1－3减小并因而提供了改善的温度一致性。设计5涉及沿流动通道的长度既具有可变通道宽度又具有分级的传热表面的热交换器14，对于设计5，结果甚至更显著，且横跨热交换器板16、18的表面的温度梯度甚至进一步减少至约1.91℃，与其它设计(即设计1－4)相比，这是对横跨热交换器板16、18的表面的温度一致性的显著改善。尽管横跨热交换器14的总体压降相比于设计1－4中的每个稍稍增大，但尤其鉴于大大改善的温度一致性需求，3.2kPa的总体压降仍在合理的范围内。
现参考图10，示出有根据本发明的电池单体热交换器14的另一示例性实施例。在该实施例中，相较于对于多程流动通道20的每个行程设置具有可变宽度和/或可变的分级传热表面的蛇形流动通道20，每个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)形成有不同的通道高度Dh1－Dh4以及不同的通道宽度，第一流动通道部32(1)的通道高度Dh1大于第二流动通道部32(2)的通道高度Dh2，第三流动通道部32(3)的通道高度Dh3小于第二通道高度Dh2，而第四流动通道部32(4)的通道高度Dh4小于第三通道高度Dh3。更具体地，如图10中所示，热交换器14包括一对配对的热交换器板16、18，其中，第二热交换器板18形成有蛇形凹部，从而形成由通过U形流动通道部34(1)－34(3)串联地相互连接的一系列大致平行的流动通道部32(1)－32(4)组成的流动通道20。从板18的相应的端部边缘起延伸的纵向肋部形成流动阻碍33，流动阻碍33将一个大致平行的流动通道部32(n)与相邻的流动通道部分离和/或流体隔离。在该实施例中，过渡区域45形成在每个U形流动通道部34(1)－34(3)中，从而使相邻的大致平行的流动通道部32(n)之间通道高度减小。过渡区域45总体上呈形成于U形流动通道部34(1)－34(3)的表面中的平缓的台阶或斜坡的形式，其允许相邻的大致平行的流动通道部32(n)之间的高度的减小，相应的流动通道部32(n)的通道高度对应于由形成对应的流动通道部32(n)的相应凹部所提供的深度，例如，相应的流动通道部32的通道高度对应于相应的流动通道部32的基座或底表面与相邻的流动屏障33的上表面或围绕的周缘37之间的距离。在图10B中示出了过渡区域45的更详细的视图，该视图提供了各U形流动通道部中的一个34(1)。
通过使单独的流动通道部32(1)－32(4)的通道高度与宽度一起逐渐减小，每个流动通道部的流动阻碍增加，这就增加了流过流动通道部32(1)－32(4)的流体速度，进而有助于减小横跨与单独的电池单体接触的热交换器板16、18的表面的温度梯度。除了逐渐减小每个大致平行的流动通道部32(1)－32(4)的通道高度以外，每个流动通道部32(1)－32(4)还可设置有表面增强特征36、38、40、42的各种图案，或如上所述的呈各种等级的偏置的带状翅片形式的传热表面。由于热交换器的一侧不设置总体连续的表面以用于如当用于单体间的布置中时(例如如图11中所示)所需的那样接触相邻的电池单体或电池单体盒12，故而总体上认为具有蛇形或多程流动通道20的电池单体热交换器14更适合用作冷却板式热交换器，其中，流动通道20具有分级的或变化的传热表面以及逐渐减小的通道高度。如图10中所示的具有多程流动通道20的电池单体热交换器14适合用作冷却板式热交换器，其中，从热交换器的入口端至出口端具有逐渐减小的通道高度，且热交换器由大致平面的第一板或上板16和成形的第二板或下板18组成，其中，仅热交换器的一侧与电池单体或电池单体容器12表面对表面地接触。
通过将分级的传热表面和/或可变宽度和/或高度施加至电池单体热交换器14的流动通道20，提供了一种改善的电池单体热交换器14，该电池单体热交换器14可被更具体地精调以满足这些类型的电池单元10的具体性能需求，尤其是横跨热交换器14的表面的更均匀的温度分布。
尽管已经描述了电池单体热交换器14的各种实施例，但将理解到，可对所描述的实施例进行一定改造和修改。因而，上述实施例被认为是示意性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种电池单体热交换器，包括：
配对的热交换器板对，所述配对的热交换器板对共同形成其间的内多程管状流动通道；
所述多程管状流动通道具有入口端和出口端以及通过大致U形的流动通道部相互连接的多个大致平行的流动通道部，所述大致平行的流动通道部和所述大致U形的流动通道部共同与所述入口端和所述出口端相互连接；
流体入口，所述流体入口与所述流动通道的所述入口端流体连通，用于将流体输送至所述热交换器；
流体出口，所述流体出口与所述流动通道的所述出口端流体连通，用于将所述流体从所述热交换器排出；
其中，每个大致平行的流动通道部限定流动阻碍和传热性能特征，每个所述大致平行的流动通道部的流动阻碍和传热性能特征在所述入口端至所述出口端之间是提高的。
2.根据权利要求1所述的电池单体热交换器，其特征在于，每个大致平行的流动通道部具有一宽度，每个大致平行的流动通道部的所述宽度是相同且恒定的；以及
其中，每个大致平行的流动通道部相对于随后的大致平行的流动通道部限定逐渐增加的表面面积密度；
其中，所述逐渐增加的表面面积密度通过下列选项中的一者提供：呈凹窝、肋部和/或其组合的各种图案的形式的表面增强特征，或具有逐渐增加的翅片密度的传热表面。
3.根据权利要求1所述的电池单体热交换器，其特征在于，每个大致平行的流动通道部具有一宽度，每个所述大致平行的流动通道部的宽度从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐减小。
4.根据权利要求3所述的电池单体热交换器，其特征在于，具有逐渐减小的宽度的每个所述大致平行的流动通道部各自形成有布置成带有从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐增加的表面面积密度的图案的表面增强特征；其中，所述表面增强特征被冲压在所述热交换器板的表面中。
5.根据权利要求3所述的电池单体热交换器，其特征在于，所述大致平行的流动通道部中的所述第一个呈没有表面增强特征的敞开通道的形式；且其中，在每个随后的大致平行的流动通道部中布置传热表面，每个传热表面具有逐渐增加的翅片密度。
6.根据权利要求5所述的电池单体热交换器，其特征在于，每个传热表面呈具有逐渐增加的翅片密度的错置的带状翅片的形式。
7.根据权利要求1所述的电池单体热交换器，其特征在于，所述多程管状流动通道包括限定第一表面面积密度的第一大致平行的流动通道部；限定第二表面面积密度的第二大致平行的流动通道部；限定第三表面面积密度的第三大致平行的流动通道部；以及限定第四表面面积密度的第四大致平行的流动通道部；
其中，所述第一表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第一大致平行的流动通道部的第一突出部的低密度图案限定，以提供低的总体表面面积密度；所述第二表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第二大致平行的流动通道部的第一突出部的高密度图案限定，以提供第一中等总体表面面积密度；所述第三表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第三大致平行的流动通道部的第二突出部的低密度图案限定，以提供高于所述第一中等总体表面面积密度的第二中等总体表面面积密度；且所述第四表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第四大致平行的流动通道部的所述第一突出部和所述第二突出部的高密度图案限定，以提供高的总体表面面积密度。
8.根据权利要求7所述的电池单体热交换器，其特征在于，所述第一突出部是凹窝且所述第二突出部是肋部。
9.根据权利要求7所述的电池单体热交换器，其特征在于，
所述第一表面面积密度由没有表面增强特征或传热表面的敞开通道限定；以及
所述第二表面面积密度、所述第三表面面积密度和所述第四表面面积密度由呈具有逐渐增加的翅片密度的错置的带状翅片形式的传热表面限定。
10.根据权利要求1所述的电池单体热交换器，其特征在于，所述多程管状流动通道包括最少三个大致平行的流动通道部和最多十个大致平行的流动通道部。
11.根据权利要求3所述的电池单体热交换器，其特征在于，每个大致平行的流动通道部具有一高度，每个所述大致平行的流动通道部的高度从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐减小。
12.根据权利要求11所述的电池单体热交换器，其特征在于，具有逐渐减小的高度的每个所述大致平行的流动通道部各自形成有布置成带有从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐增加的表面面积密度的图案的表面增强特征；其中，所述逐渐增加的表面面积密度通过下列选项中的一者提供：呈凹窝、肋部和/或其组合的各种图案的形式的表面增强特征，或具有逐渐增加的翅片密度的传热表面。
13.一种电池单元，包括：
多个电池单体容器，每个所述电池单体容器容纳一个或多个单独的电池单体，其中，各所述电池单体容器布置成彼此相邻且面对面接触；
电池单体热交换器，所述电池单体热交换器布置在所述多个电池单体容器下方，使得每个电池单体容器的一端面与所述热交换器表面对表面地接触；
其中，每个电池单体热交换器包括：
配对的热交换器板对，所述配对的热交换器板对共同形成其间的多程管状流动通道；
所述多程管状流动通道具有入口端和出口端以及通过大致U形的流动通道部相互连接的多个大致平行的流动通道部，所述大致平行的流动通道部和所述大致U形的流动通道部共同与所述入口端和所述出口端相互连接；
流体入口，所述流体入口与所述流动通道的所述入口端流体连通，用于将流体输送至所述热交换器；
流体出口，所述流体出口与所述流动通道的所述出口端流体连通，用于将所述流体从所述热交换器排出；
其中，每个大致平行的流动通道部限定流动阻碍和传热性能特征，每个大致平行的流动通道部的流动阻碍和传热性能特征在所述入口端至所述出口端之间是提高的。
14.根据权利要求13所述的电池单元，其特征在于，每个大致平行的流动通道部具有一宽度，每个大致平行的流动通道部的所述宽度是相同且恒定的；以及
其中，每个大致平行的流动通道部相对于随后的大致平行的流动通道部限定逐渐增加的表面面积密度；
其中，所述逐渐增加的表面面积密度通过下列选项中的一者提供：呈凹窝、肋部和/或其组合的各种图案的形式的表面增强特征，或具有逐渐增加的翅片密度的传热表面。
15.根据权利要求13所述的电池单元，其特征在于，每个大致平行的流动通道部具有一宽度，每个所述大致平行的流动通道部的宽度从所述大致平行的流动通道部中具有最大宽度的第一个至所述大致平行的流动通道部中具有最小宽度的最后一个逐渐减小。
16.根据权利要求15所述的电池单元，其特征在于，具有逐渐减小的宽度的每个所述大致平行的流动通道部各自形成有布置成带有从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐增加的表面面积密度的图案的表面增强特征；
其中，所述多程管状流动通道包括限定第一表面面积密度的第一大致平行的流动通道部；限定第二表面面积密度的第二大致平行的流动通道部；限定第三表面面积密度的第三大致平行的流动通道部；以及限定第四表面面积密度的第四大致平行的流动通道部；
其中，所述第一表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第一大致平行的流动通道部的第一突出部的低密度图案限定，以提供低的总体表面面积密度；所述第二表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第二大致平行的流动通道部的第一突出部的高密度图案限定，以提供第一中等总体表面面积密度；所述第三表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第三大致平行的流动通道部的第二突出部的低密度图案限定，以提供高于所述第一中等总体表面面积密度的第二中等总体表面面积密度；且所述第四表面面积密度由形成于所述热交换器板的表面部中而构成所述第四大致平行的流动通道部的所述第一突出部和所述第二突出部的高密度图案限定，以提供高的总体表面面积密度；以及
其中，所述第一突出部是凹窝且所述第二突出部是肋部。
17.根据权利要求15所述的电池单元，其特征在于，所述大致平行的流动通道部中的所述第一个呈没有表面增强特征的敞开通道的形式；以及其中，在每个随后的大致平行的流动通道部中布置传热表面，每个传热表面呈具有逐渐增加的翅片密度的错置的带状翅片的形式。
18.根据权利要求15所述的电池单元，其特征在于，具有减小的宽度的每个大致平行的流动通道部具有一高度，每个所述大致平行的流动通道部的高度从所述大致平行的流动通道部中的第一个至所述大致平行的流动通道部中的最后一个逐渐减小。
19.根据权利要求1所述的电池单体热交换器，其特征在于，包括：
第一大致平面的板，其具有限定主传热表面的外表面；
具有中心大致平面区域的第二板，蛇形凹部形成于所述中心大致平面区域中，从而形成所述多程流动通道，其中，所述蛇形凹部由外周凸缘区域围绕，所述外周凸缘区域用于与所述第一大致平面的板的对应表面接触并密封；以及其中，从所述第二板的所述中心大致平面区域突出的、呈细长肋部形式的流动屏障将所述多个大致平行的流动通道部中相邻的流动通道部分离，所述U形流动通道部将所述相邻的大致平行的流动通道部围绕所述流动屏障中一个的相应端部相互连接；
其中，所述电池单体热交换器是冷却板式热交换器。
20.根据权利要求19所述的电池单体热交换器，其特征在于，所述U形流动通道部还包括过渡区域，在过渡区域中，一个大致平行的流动通道部的高度从第一高度变化至对应于相邻的大致平行的流动通道部高度的第二高度，各所述大致平行的流动通道部的高度从所述热交换器的所述入口端至所述出口端逐渐减小。
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